多變環(huán)境條件下家用空調(diào)器性能的實驗研究

金聽祥 時子超 楊有偉 金夢曉

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院 鄭州 450002）

由收入增長和氣候變化的驅(qū)動，空調(diào)器的能源需求將在未來100年迅速增加，2100年空調(diào)器能源需求預(yù)計將會增加72%［1-2］。作為改變室內(nèi)環(huán)境舒適性和健康性的一種方法，家用空調(diào)器耗電約占全社會總能耗的40%［3-4］。部分負(fù)荷特性是評價房間空調(diào)器效率的一個重要因素，因為在整個季節(jié)大部分熱負(fù)荷一般小于房間空調(diào)器的額定能力［5-6］，所以用單一的標(biāo)準(zhǔn)工況測試一臺空調(diào)器的好壞，顯然不合理。因此有必要研究空調(diào)器在變工況條件下的性能。何欽波等［7-9］研究了室內(nèi)外溫濕度變化對空調(diào)器運(yùn)行性能的影響，結(jié)果表明：在制冷系統(tǒng)不變的情況下，室內(nèi)濕球溫度和室外干球溫度的變化對空調(diào)器運(yùn)行性能影響較大，而室內(nèi)干球溫度和室外濕球溫度的影響則稍小。M.B.Yurtseven等［10］對伊斯坦布爾的兩處布置相同的辦公場所的變頻和定頻空調(diào)器進(jìn)行了43 d的耗電量實驗，實驗較好的反映了多變環(huán)境條件下變頻和定頻空調(diào)器的能耗差別。Chen I.Y.等［11］研究了一天內(nèi)室外環(huán)境溫度和空調(diào)器設(shè)定溫度對定頻和變頻空調(diào)器性能的影響。結(jié)果表明，平均消耗功率隨著熱負(fù)荷的增加和設(shè)定點(diǎn)溫度的降低而增加；對于相同的初始室溫，定頻空調(diào)器可以更早的達(dá)到設(shè)定點(diǎn)溫度。G.Cherem-Pereira等［12］建立了房間空調(diào)器模型，用來估測能效比、制冷量、顯冷量隨室內(nèi)外環(huán)境變化的影響，并建立了數(shù)學(xué)相關(guān)性，誤差在10%左右。諸多學(xué)者均對房間空調(diào)器在多變環(huán)境條件下做了實驗研究和定性分析。定頻空調(diào)器的銘牌參數(shù)以額定工況下測得EER和COP為準(zhǔn)［13-14］，并且我國各地區(qū)夏季和冬季溫度差異較大，所以空調(diào)器實際運(yùn)行時性能參數(shù)與銘牌參數(shù)相差甚遠(yuǎn)［15］。而消費(fèi)者也僅僅是通過銘牌參數(shù)來選擇空調(diào)器。因此，銘牌參數(shù)的精確性和對空調(diào)器性能評價方法的改進(jìn)具有重要意義。

本文通過在多變環(huán)境條件下對房間空調(diào)器進(jìn)行性能實驗。實驗測得制冷模式和制熱模式下空調(diào)器制冷量、制熱量、輸入功率、能效比、性能系數(shù)等參數(shù)，并與空調(diào)器銘牌參數(shù)進(jìn)行對比分析，直觀的體現(xiàn)空調(diào)器性能的優(yōu)劣。

1 實驗設(shè)備及方法

1.1 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備是一臺制冷量為2 500 W的定頻型家用空調(diào)器，具體參數(shù)如表1所示。實驗在某5 HP焓差實驗室中進(jìn)行，布局如圖1所示。

表1 空調(diào)器銘牌參數(shù)Tab.1 Normal parameters of air conditioner

圖1 焓差實驗室布局Fig.1 The enthalpy difference lab layout

1.2 實驗精度及誤差分析

熱電偶測溫線采用T型銅-康銅熱電偶測溫線精度為±0.5℃；功率表和電流表為0.5級；精密壓力表為0.2級。實驗過程中所用儀器本身造成的誤差由廠家提供的參數(shù)得到，部分測量值和誤差度如表2所示。

表2 實驗參數(shù)誤差度Tab.2 Error of test parameters

1.3 實驗方法

本實驗針對空調(diào)器制冷性能和制熱性能進(jìn)行實驗，測得的實驗數(shù)據(jù)與銘牌參數(shù)進(jìn)行對比，分析實測性能與銘牌參數(shù)之間的關(guān)系。實驗步驟如下：

1）制冷工況下，改變室外干球溫度和相對濕度，制冷溫區(qū)24～43℃，室外相對濕度 40%、60%、80%，間隔1℃對空調(diào)器進(jìn)行耦合測試，測得不同室外干球溫度和相對濕度條件下空調(diào)器的制冷量、輸入功率、能效比等參數(shù)。

2）制熱工況下，改變室外干球溫度和相對濕度，制熱溫區(qū) -6～16℃，室外相對濕度40%、60%、80%，間隔1℃對空調(diào)器進(jìn)行耦合測試，測得不同室外干球溫度和相對濕度條件下空調(diào)器的制熱量、輸入功率、性能系數(shù)等參數(shù)。

3）通過實驗測得的相關(guān)參數(shù)，與銘牌參數(shù)進(jìn)行對比，引入相對制冷量比率（relative refrigerating capacity percentage，RRCP）、相對制熱量比率（relative heating capacity percentage，RHCP）、相對功率比率（relative power percentage，RPP）、相對能源消耗比率（relative energy consumption percentage，RECP），分析實測性能參數(shù)與銘牌參數(shù)的關(guān)系，直觀的體現(xiàn)空調(diào)器性能在多變環(huán)境條件下的變化范圍。相對比率定義：

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 空調(diào)器制冷工況性能分析

2.1.1 RRCP和RPP的分析

目前對房間空調(diào)器的設(shè)計仍停留在單一的標(biāo)準(zhǔn)工況，而人們并不只在標(biāo)準(zhǔn)工況下使用，可能在各種工況下使用［16］，因此空調(diào)器的使用和銘牌參數(shù)之間存在很大偏差。圖2和圖3給出了RRCP和RPP隨室外溫度和相對濕度的變化關(guān)系。室外相對濕度從40%升高到80%，RRCP和RPP有微小的變化。室外干球溫度由24℃升高到43℃，RRCP最大可增大到16.5%，最大可減小到-13.2%；RPP最大可減小到-4.8%，最大可增大到24%，間隔1℃ RRCP和RRP分別降低2%和升高2.5%。由此可見，隨著室外干球溫度的升高，RRCP由正偏差過度到負(fù)偏差，RPP由負(fù)偏差過渡到正偏差，空調(diào)器制冷性能逐漸衰減，主要因為室外干球溫度的升高，導(dǎo)致冷凝溫度、冷凝壓力升高，壓縮機(jī)排氣溫度、排氣壓力升高，流量降低，壓比增大，不可逆損失增加，壓縮機(jī)功耗增大。而家用空調(diào)器的節(jié)流機(jī)構(gòu)為毛細(xì)管，節(jié)流度固定，導(dǎo)致蒸發(fā)器進(jìn)口制冷劑的焓值增大，單位制冷量減小，空調(diào)器制冷性能降低。

圖2 相對制冷量比率隨室外溫度和相對濕度的變化Fig.2 The change of RRCP with the outdoor temperature and relative humidity

圖3 相對功率比率隨室外溫度和相對濕度的變化Fig.3 The change of RPP with the outdoor temperature and relative humidity

2.1.2 RECP的分析

由圖4可知，室外相對濕度的變化對RECP的影響較小，室外干球溫度由24℃升高到43℃，RECP由22.2%減小到-30%，每升高1℃ RECP降低2.4%，RECP由正偏差過度到負(fù)偏差的變化幅度較大。主要因為室外干球溫度的升高，室外熱交換器的換熱溫差減小，導(dǎo)致室外熱交換器不能很好地與外界環(huán)境進(jìn)行換熱，造成制冷劑在室外熱交換器中未得到充分換熱。由此可知，當(dāng)室外干球溫度低于銘牌參數(shù)對應(yīng)的設(shè)計溫度時，RECP為正偏差，空調(diào)器性能優(yōu)良，有利于空調(diào)器節(jié)能，當(dāng)室外干球溫度高于銘牌參數(shù)對應(yīng)的設(shè)計溫度時，RECP為負(fù)偏差，空調(diào)器性能低于銘牌所標(biāo)定的性能，不利于空調(diào)器節(jié)能。

圖4 相對能源消耗比率隨室外溫度和相對濕度的變化Fig.4 The change of RECP with the outdoor temperature and relative humidity

2.2 空調(diào)器制熱工況性能分析

2.2.1 RHCP和RPP的分析

制熱工況下，RHCP和RPP隨室外干球溫度和相對濕度的變化關(guān)系如圖5和圖6所示。與制冷工況相同，室外相對濕度對RHCP和RPP的影響較小。室外干球溫度由-6℃升高到16℃，RHCP和RPP均呈線性增大，RHCP由-34%增大到14%，每升高1℃ RHCP平均增大2%；RRP由 -24%增大到-2%，每升高1℃ RRP平均增大1%。主要原因是室外干球溫度越低，室外熱交換器換熱溫差越小，蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力隨之降低，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣壓力降低，系統(tǒng)制冷劑流量減小，制熱量顯著衰減。室外干球溫度過低也會導(dǎo)致室外換熱器結(jié)霜，霜層增大了空氣的流動阻力，室外空氣與熱交換器之間的熱交換量減小，導(dǎo)致制熱性能降低。

圖5 相對制熱量比率隨室外溫度和相對濕度的變化Fig.5 The change of RHCP with the outdoor temperature and relative humidity

圖6 相對功率比率隨室外溫度和相對濕度的變化Fig.6 The change of RPP with the outdoor temperature and relative humidity

2.2.2 RECP的分析

由圖7可知，室外相對濕度的變化對RECP的影響較小，室外干球溫度由-6℃升高到16℃，RECP由負(fù)偏差過度到正偏差，由-13%增大到16.9%，制熱性能變化跨度大。由此可知，當(dāng)室外干球溫度低于銘牌參數(shù)對應(yīng)的設(shè)計溫度時，RECP為負(fù)偏差，空調(diào)器性能低劣，并不能達(dá)到銘牌所標(biāo)定的性能，當(dāng)室外干球溫度高于銘牌參數(shù)對應(yīng)的設(shè)計溫度時，RECP為正偏差，空調(diào)器性能優(yōu)良，有利于空調(diào)器節(jié)能。

圖7 相對能源消耗比率隨室外溫度和相對濕度的變化Fig.7 The change of RECP with the outdoor temperature and relative humidity

3 結(jié)論與展望

本文通過焓差實驗室，選取不同的室外溫度和相對濕度分別對空調(diào)器的制冷性能和制熱性能進(jìn)行實驗測試，同時與銘牌參數(shù)進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

1）改變室外相對濕度對家用空調(diào)器的制冷性能和制熱性能進(jìn)行實驗研究。結(jié)果表明：相對濕度由40%升高到80%，RRCP、RHCP、RPP和RECP均有較小的變化。因此，對定頻型家用空調(diào)器進(jìn)行性能實驗時，可以忽略室外相對濕度變化的影響。

2）改變室外干球溫度對家用空調(diào)器的制冷性能進(jìn)行實驗研究。結(jié)果表明：室外干球溫度由24℃升高到43℃，RRCP由16.5%減小到-13.2%，RPP由-4.8%增大到24%，RECP由22.2%減小到-30%。因此，當(dāng)室外干球溫度低于銘牌參數(shù)對應(yīng)的設(shè)計溫度時，RECP為正偏差，空調(diào)器性能優(yōu)良，有利于空調(diào)器節(jié)能，當(dāng)室外干球溫度高于銘牌參數(shù)對應(yīng)的設(shè)計溫度時，RECP為負(fù)偏差，空調(diào)器性能低于銘牌所標(biāo)定的性能，不利于空調(diào)器節(jié)能。

3）改變室外干球溫度對家用空調(diào)器的制熱性能進(jìn)行實驗研究。結(jié)果表明：室外干球溫度由-6℃升高到16℃，RHCP由 -34%增大到14%，RRP由-24%增大到-2%，RECP由-13%升高到16.9%。因此，當(dāng)室外干球溫度低于銘牌參數(shù)對應(yīng)的設(shè)計溫度時，RECP為負(fù)偏差，空調(diào)器性能低劣，并不能達(dá)到銘牌所標(biāo)定的性能，當(dāng)室外干球溫度高于銘牌參數(shù)對應(yīng)的設(shè)計溫度時，RECP為正偏差，空調(diào)器性能優(yōu)良，有利于空調(diào)器節(jié)能。

綜上所述，引入相對比率指標(biāo)分析空調(diào)器在多變環(huán)境條件下的性能，能精確和直觀的體現(xiàn)空調(diào)器性能的變化范圍，對空調(diào)器性能評價方法的改進(jìn)有一定的參考價值。

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